第五卷 第五期 - 2008年八月十五日
監視吸附在Si(111)-7×7的CF3Cl分子受單色軟x光解離之連續時間光電子譜技術
周玲君、莊維銘、蔡瑋展、王興焜、吳映璇、溫清榕*


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有高強度及能量可調性的軟x光同步輻射光源,使得採用單色軟x光來激發吸附在固體表面分子的蕊層電子,並造成位置選擇性的化學截斷,成為一個有潛力的控制表面化學反應的技術。因此瞭解半導體表面吸附物的光化學反應機制已成為一個十分重要的研究課題。而高級鑑定技術的發展也變成十分重要。

光電子譜技術已被廣泛地應用來探測表面吸附物的電子結構及化學鍵結。就高強度的軟x光,尤其第三代同步輻射光源所產生的高通量真空紫外光或軟x光,以及具有高光解截面的分子而言,因光電子譜技術本身所導致的吸附物破壞是不可以省略的,所以在探測光連續照射下,我們可以觀測到一系列激烈變化的光電子譜圖。故單色同步輻射可以被用來做為吸附分子被光子引發解離的軟x光源,同時也可做為探測吸附分子及表面產生物之化學態的工具。因此系列的光電子譜圖可以被用來顯示在x光光子照射下,表面化學鍵結的變化。在本研究中,我們將此實驗方法命名為連續時間光電子譜技術。而在表面光化學製程的實驗中,使用此技術的優點是能夠即時的監視吸附分子的光解離狀態。

為瞭解單能量軟x光同步輻射激發吸附的氟氯甲烷分子與有良好定義的半導體表面之微觀反應,我們採用連續時間光電子譜技術來監視吸附的CF3Cl分子在240及730 eV能量的入射光[接近Cl(2p)及F(1s)邊緣]照射下之解離情況,並取得隨能量變化的光解截面。

連續時間Cl(2p)蕊層光電子譜的實驗結果以一系列的光電子譜呈現於圖1(a)中。圖中各譜圖的主要差別在於表面暴露在240 eV光子的時間不同。第一個Cl(2p)光電子譜顯示在-202.9及-201.3 eV處有兩個諧振,而最後一個Cl(2p)光電子譜顯示在-200.8及-199.2 eV處有兩個諧振。這系列的每個Cl(2p)光電子譜可以拆解成如圖1(b)所示的兩個Cl(2p)成分。
圖1: (a)吸附在Si(111)-7×7表面的CF3Cl分子在能量為240 eV的光子照射下隨光子暴露量變化之系列連續時間Cl(2p)蕊層光電子譜。(b) 84個Cl(2p)光電子譜曲線中第1個、第5個及最後一個的擬合結果。點圖為減去二次電子背景訊號後的原始數據。第1個譜線中的實線(F1)及第84個譜線中的實線(F2)分別表示吸附的CF3Cl分子以及產生的SiCl表面物之Cl(2p1/2)及Cl(2p3/2)單一自旋軌道分離對。第5個譜線中的細實線表示吸附的CF3Cl分子(F1)成分以及產生的SiCl表面物(F2)成分,而粗實線表示這兩個成分的相加。

我們可以從圖1(a)獲得吸附的CF3Cl分子之光解截面。既然在-202.9及-201.3 eV處的兩個諧振被歸屬於吸附的CF3Cl分子經由Cl(2p)蕊層電子激發所造成的光電子發射,則這兩個諧振的面積將正比於吸附在表面上的CF3Cl分子之密度。所以我們得到吸附在Si(111)-7×7的CF3Cl分子被能量為240 eV的光子照射之光解截面約為1.3×10-17平方公分。

又,圖2(a)表示吸附在Si(111)-7×7的CF3Cl分子在730 eV光子照射下,不同光子暴露量的系列F(1s)蕊層光電子譜,其中第一個F(1s)光電子譜顯示在-688.5處有一個諧振。詳細檢查圖2(a)中系列F(1s)光電子譜後,我們發現很難區分需要幾個成分來做曲線擬合。雖然如此,如果我們只對吸附的CF3Cl分子之光解離有興趣,而非對於生成物的形成有興趣;那麼我們採用從接續的F(1s)光電子譜圖(第2個到第50個)減去第一個F(1s)光電子譜圖得到的差異曲線將非常有用。此差異曲線可以用能夠執行非線性最小平方分析的演算法以下列函數進行擬合
y=-F1+F2+F3
上式中Fi (i=1-3)是Voigt函數,-F1代表對應於吸附的CF3Cl分子之減少所貢獻的F(1s)光電子譜曲線,而F2F3代表由新生成物所貢獻的F(1s)光電子譜曲線。一個典型的曲線擬合結果示於圖2(b)。

我們可以從-F1的面積隨光子暴露量的變化來得到吸附在Si(111)-7×7的CF3Cl分子被能量為730 eV的光子照射之光解截面(約為1.7×10-17平方公分)。
圖2: (a)吸附在Si(111)-7×7表面的CF3Cl分子在能量為730 eV的光子照射下隨光子暴露量變化之系列連續時間F(1s)蕊層光電子譜。(b)一個差異曲線之典型的曲線擬合結果。上圖:第1個及第31個光電子譜曲線。中圖:從第31個光電子譜圖減去第1個光電子譜圖得到的差異曲線。(點代表這兩個譜圖原始數據的差異,實線代表曲線擬合的總結果)。下圖:實線代表曲線擬合結果的各個成分。
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